Ученые создали биомиметического робота, напоминающего медузу, который способен передвигаться в воде с беспрецедентной скоростью, не имея на борту собственного источника энергии. Новое устройство, названное Jellyfish Magnetic Soft Robot (J-MSR), предназначено для выполнения медицинских задач, включая транспортировку лекарств, визуализацию внутренних органов и навигацию в теле пациента.
Ирина Медведева
Иллюстративное фото. X/GT. Источник: interestingengineering.com
Этот мягкий механизм, вдохновленный морскими обитателями, демонстрирует скорость плавания до 14,85 сантиметров в секунду. Управление движением осуществляется с помощью внешних магнитных полей, что исключает необходимость в тяжелых аккумуляторах и сохраняет гибкость конструкции. Инженеры добились таких показателей благодаря тщательной настройке магнитной системы и оптимизации сигналов, управляющих движением.
Достигнутые результаты открывают новые горизонты для применения мягких роботов в медицине. Отказ от бортового источника энергии решает одну из ключевых проблем микро- и миниатюрных устройств — ограничение времени работы и необходимость частой замены или подзарядки аккумуляторов.
Внешнее магнитное управление позволяет не только экономить вес и объем, но и обеспечивает практически неограниченную продолжительность миссии, пока пациент находится в зоне действия магнитного поля.
Это особенно важно для длительных процедур, таких как мониторинг состояния желудочно-кишечного тракта или контролируемое высвобождение лекарств в течение нескольких часов. Кроме того, отсутствие проводов и жестких конструкций минимизирует риск травмирования тканей, что критически важно для работы в чувствительных зонах организма.
За счет чего обеспечивается многорежимная навигация
В основе работы J-MSR лежит имитация естественного процесса плавания медуз: последовательное сокращение и расслабление тела. Используя внешние магниты, робот поддерживает легкость и подвижность, одновременно развивая высокую скорость в жидкой среде. Для повышения эффективности команда разработчиков применила компьютерное моделирование в среде COMSOL, где были смоделированы взаимодействия магнитного поля, жидкости и твердых элементов конструкции.
Такой подход позволил точно отрегулировать множество параметров, включая интенсивность магнитного потока и временные интервалы фаз движения. Основная цель заключалась в минимизации гидродинамического сопротивления и максимизации тяги без использования громоздких систем, обеспечивающих плавучесть.
Оптимизация строилась на создании асимметричной траектории движений, аналогичной той, что наблюдается у настоящих медуз: фаза сокращения происходит быстрее фазы восстановления. Этот дисбаланс способствует более эффективному выталкиванию жидкости назад и сохранению устойчивости во время скольжения.
Профессор Цюаньлян Цао, один из авторов исследования, поясняет, что естественные медузы используют как пространственную, так и временную асимметрию: их сокращение занимает меньше времени и охватывает большую площадь, чем восстановление. В разработанном роботе эта стратегия воспроизведена с помощью трапециевидной формы магнитного сигнала, однако инженеры не ограничились простым копированием. Они провели систематическую оптимизацию шести параметров сигнала, включая положительный и отрицательный магнитные потоки, а также длительность фаз предварительной нагрузки, сжатия, скольжения и восстановления.
Благодаря такой настройке скорость плавания робота достигла 14,85 длины его тела в секунду, несмотря на то, что устройство обладает отрицательной плавучестью — его плотность более чем на 0,4 грамма на кубический сантиметр превышает плотность воды. В конструкции отсутствуют дополнительные элементы для удержания на плаву, которые обычно увеличивают сопротивление у мягких подводных аппаратов. Профессор Цао отмечает, что эта разработка может открыть путь к новым методам малоинвазивной диагностики и лечения, от обследования желудка до адресной доставки лекарств, причем без необходимости в бортовом питании или проводах.
Сравнение с подобными моделями роботов
Сравнение с более ранними моделями роботов, вдохновленных медузами, показывает значительное улучшение: некоторые из них развивали скорость около 10 длин тела в секунду. Исследователи связывают прирост эффективности с комбинацией быстрого сокращения и тщательно подобранной фазы скольжения, которая снижает сопротивление. Как подчеркивает профессор Лининг Яо, особую ценность представляет то, что это достигнуто без использования вспомогательных плавучих структур, которые обычно повышают сопротивление и снижают пространственную эффективность.
J-MSR также способен переключаться между различными режимами движения. Регулируя внутреннюю намагниченность и используя трехосную систему катушек Гельмгольца, робот может менять угол движения от 0 до 122 градусов, катиться, взбираться по наклонным поверхностям и перемещаться по узким или извилистым траекториям.
Эти возможности были проверены в эксперименте на модели свиного желудка, где выяснилось, что для преодоления сложных внутренних структур необходимы разные режимы. Движение только по горизонтали не позволяло обойти узкие складки, но комбинация вертикального и горизонтального плавания успешно решала эту задачу.
Как выполняются медицинских задачи
Робот оснащен центральной полостью диаметром 10 миллиметров, предназначенной для размещения полезной нагрузки, такой как датчики или медицинские инструменты. В ходе демонстраций он перемещал светодиоды, беспроводные катушки и микроиглы, не теряя при этом эффективности движения. Кроме того, исследователи показали возможность беспроводного питания и активации функций с использованием двухчастотных магнитных полей. Низкие частоты управляли движением, а высокие активировали встроенные возможности, например нагрев или генерацию сигнала.
Полезная нагрузка, которую способен нести робот, также не ограничивается простыми датчиками. В демонстрациях было показано, что J-MSR может транспортировать микроиглы, беспроводные катушки и даже светодиоды, сохраняя при этом высокую скорость и управляемость. Особенно впечатляет точность наведения микроиглы на целевую область — погрешность составила менее 5 миллиметров.
Это открывает путь к малоинвазивным биопсиям или локальной доставке лекарств в опухолевые очаги. Система двухчастотных магнитных полей позволяет одновременно управлять движением и активировать встроенные функции, например, нагрев для термической абляции или генерацию сигнала для передачи данных. Таким образом, робот становится не просто транспортным средством, а многофункциональной платформой, способной выполнять целый спектр медицинских задач без хирургического вмешательства.
В одном из экспериментов система с изменяемой плотностью позволила роботу временно надуваться и менять плавучесть за счет испарения низкокипящей жидкости. Это дало ему возможность цепляться за предметы, а затем подниматься, неся их. В медицинских испытаниях микроигла, прикрепленная к роботу, достигла точности наведения на модель желудка в 4,4 ± 1,85 миллиметра. Система также взаимодействовала с капсульным эндоскопом, который наклонялся на 21,8 градуса, обеспечивая несколько углов обзора внутри желудка.
Особого внимания заслуживает способность J-MSR адаптироваться к сложной геометрии внутренних органов. Эксперименты на модели свиного желудка наглядно продемонстрировали, что робот может эффективно преодолевать изгибы, складки и узкие проходы, комбинируя горизонтальное и вертикальное движение.
Такая маневренность достигается за счет точного контроля магнитного поля, которое может изменять угол наклона робота в широком диапазоне — от 0 до 122 градусов. Это позволяет устройству не только плавать в свободном пространстве, но и «взбираться» по наклонным поверхностям, катиться по дну и даже временно фиксироваться на объектах за счет изменения плавучести. Подобный арсенал движений делает J-MSR перспективным кандидатом для обследования и лечения труднодоступных участков, например, тонкого кишечника или мочевого пузыря.
Перспектива мягкой робототехники
В перспективе команда разработчиков планирует перейти к полностью трехмерному управлению, что потребует создания более сложных магнитных конфигураций и алгоритмов навигации. Машинное обучение может быть использовано для автоматической оптимизации траектории движения робота в реальном времени, в зависимости от формы органа и препятствий.
Автономная навигация по замкнутому контуру, при которой робот сам корректирует свой курс на основе данных с бортовых датчиков (например, ультразвуковых или оптических), станет следующим шагом к полностью автономным медицинским микроустройствам. Это позволит врачу лишь задать конечную цель, а робот самостоятельно найдет путь к ней, избегая повреждений тканей.
Наконец, результаты этого исследования демонстрируют принципиальный сдвиг в парадигме мягкой робототехники. J-MSR доказывает, что высокая скорость, маневренность и функциональность могут быть достигнуты без ущерба для безопасности и без необходимости в тяжелых, громоздких источниках энергии. Сочетание биомиметического дизайна, точного магнитного управления и системного моделирования позволяет создавать устройства, которые по эффективности не уступают природным аналогам, а во многих аспектах их превосходят.
Если дальнейшие испытания на живых организмах подтвердят безопасность и эффективность, такие роботы могут в ближайшие годы стать стандартным инструментом для диагностики и лечения, изменив подход к малоинвазивной медицине.
Сегмент мягких медицинских микророботов, управляемых магнитным полем, становится довольно конкурентным. Недавно мы писали, о крошечных роботах в виде чупа-чупс, напечатанных на 3D-принтере, которые становятся прообразом микро-устройств, пригодных для выполнения сложных медицинских операций внутри организма человека, таких как забор тканей для биопсии или адресная доставка лекарственных препаратов.